Współtransporter

Kotransportery to podkategoria błonowych białek transportujących (transporterów), które łączą korzystny ruch jednej cząsteczki z jej gradientem stężeń i niekorzystny ruch innej cząsteczki w stosunku do jej gradientu stężeń. Umożliwiają sprzężony lub kotransport (wtórny transport aktywny) i obejmują antyportery i symportery . Ogólnie rzecz biorąc, kotransportery składają się z dwóch z trzech klas integralnych białek błonowych zwanych transporterami, które przenoszą cząsteczki i jony przez biomembrany. Uniportery są również transporterami, ale przenoszą tylko jeden typ cząsteczki w dół jej gradientu stężenia i nie są klasyfikowane jako kotransportery.

Podstawowa różnica między kotransporterami zwanymi antyporterami i symporterami a transporterem uniporterowym.

Tło

Kotransportery są w stanie przenosić substancje rozpuszczone w górę lub w dół gradientu z szybkością od 1000 do 100 000 cząsteczek na sekundę. Mogą działać jako kanały lub transportery, w zależności od warunków, w jakich są oznaczane. Ruch odbywa się poprzez wiązanie się z dwiema cząsteczkami lub jonami jednocześnie i przy użyciu gradientu stężenia jednej substancji rozpuszczonej, aby zmusić drugą cząsteczkę lub jon do przeciwstawienia się gradientowi. Niektóre badania pokazują, że kotransportery mogą funkcjonować jako kanały jonowe, co jest sprzeczne z klasycznymi modelami. Na przykład transporter HKT1 pszenicy wykazuje dwa sposoby transportu przez to samo białko.

Kotransportery można podzielić na antyportery i symportery . Oba wykorzystują potencjał elektryczny i/lub gradienty chemiczne do przemieszczania protonów i jonów wbrew ich gradientowi stężeń. W roślinach proton jest uważany za substancję drugorzędną, a wysokie stężenie protonów w apoplastach napędza ruch symporterów do wewnątrz niektórych jonów. Gradient protonowy przenosi jony do wakuoli przez antyporter protonowo-sodowy lub antyporter protonowo-wapniowy. W roślinach transport sacharozy jest rozprowadzany po całej roślinie przez pompę protonową, gdzie pompa, jak omówiono powyżej, tworzy gradient protonów, tak że po jednej stronie membrany jest ich znacznie więcej niż po drugiej. Gdy protony dyfundują z powrotem przez błonę, energia swobodna uwolniona w wyniku tej dyfuzji jest wykorzystywana do współtransportu sacharozy. U ssaków glukoza jest transportowana przez transportery glukozy zależne od sodu, które zużywają energię w tym procesie. Tutaj, ponieważ zarówno glukoza, jak i sód są transportowane w tym samym kierunku przez błonę, zostałyby sklasyfikowane jako symportery. System transportera glukozy został po raz pierwszy wysunięty przez dr Roberta K. Crane'a w 1960 r., co zostało omówione w dalszej części artykułu.

Historia

Dr Robert K. Crane i jego szkic do wspólnego transportu

Dr Robert K. Crane , absolwent Harvardu, od dłuższego czasu zajmuje się biochemią węglowodanów. Jego doświadczenie w dziedzinie glukozo-6-fosforanów , wiązania dwutlenku węgla, badań nad heksokinazą i fosforanami doprowadziło go do postawienia hipotezy współtransportu glukozy wraz z sodem przez jelita. Na zdjęciu po prawej dr Crane i jego rysunek systemu kotransporterów, który zaproponował w 1960 roku na międzynarodowym spotkaniu poświęconym transportowi błonowemu i metabolizmowi. Jego badania zostały potwierdzone przez inne grupy i są obecnie wykorzystywane jako klasyczny model do zrozumienia współtransporterów.

Mechanizm

Zarówno antyportery, jak i symportery transportują jednocześnie dwa lub więcej różnych typów cząsteczek w sprzężonym ruchu. Energetycznie niekorzystny ruch jednej cząsteczki jest połączony z energetycznie korzystnym ruchem innej cząsteczki (cząsteczek) lub jonu (jonów), aby zapewnić moc potrzebną do transportu. Ten rodzaj transportu jest znany jako wtórny transport aktywny i jest zasilany energią pochodzącą z gradientu stężeń jonów/cząsteczek przez błonę, w której zintegrowane jest białko kotransportera.

⁰ Współtransportery przechodzą cykl zmian konformacyjnych , łącząc ruch jonu z jego gradientem stężenia (ruch w dół) z ruchem współtransportowanej substancji rozpuszczonej wbrew gradientowi stężenia (ruch w górę). W jednej konformacji białko będzie miało miejsce wiązania (lub miejsca w przypadku symporterów) odsłonięte po jednej stronie błony. Po związaniu zarówno cząsteczki, która ma być transportowana w górę, jak i cząsteczki, która ma być transportowana w dół, nastąpi zmiana konformacyjna. Ta zmiana konformacyjna odsłoni związane substraty po przeciwnej stronie membrany, gdzie substraty ulegną dysocjacji. Zarówno cząsteczka, jak i kation muszą być związane, aby nastąpiła zmiana konformacyjna. Mechanizm ten został po raz pierwszy wprowadzony przez Olega Jardetzky'ego w 1966 r. Ten cykl zmian konformacyjnych transportuje tylko jeden jon substratu na raz, co skutkuje dość małą szybkością transportu (10 do 10 4 jonów ^lub cząsteczek na sekundę) w porównaniu z innymi białkami transportowymi jak kanały jonowe . Szybkość, z jaką zachodzi ten cykl zmian konformacyjnych, nazywana jest szybkością obrotu (TOR) i jest wyrażana jako średnia liczba pełnych cykli na sekundę wykonywanych przez pojedynczą cząsteczkę kotransportera.

typy

antyporter

symporter

antyporterzy

Antyportery wykorzystują mechanizm współtransportu (połączenie ruchu jednego jonu lub cząsteczki w dół jej gradientu stężenia z transportem innego jonu lub cząsteczki w górę jej gradientu stężenia), aby przemieszczać jony i cząsteczki w przeciwnych kierunkach. W tej sytuacji jeden z jonów przemieści się z przestrzeni egzoplazmatycznej do przestrzeni cytoplazmatycznej , podczas gdy drugi jon przemieści się z przestrzeni cytoplazmatycznej do przestrzeni egzoplazmatycznej. Przykładem antyportera jest wymieniacz sodowo-wapniowy . Wymiennik sodowo-wapniowy działa w celu usunięcia nadmiaru wapnia z przestrzeni cytoplazmatycznej do przestrzeni egzoplazmatycznej wbrew jego gradientowi stężeń poprzez sprzężenie jego transportu z transportem sodu z przestrzeni egzoplazmatycznej w dół jego gradientu stężeń (ustanowionego przez aktywny transport sodu z komórka przez pompę sodowo-potasową ) do przestrzeni cytoplazmatycznej. Wymieniacz sodowo-wapniowy wymienia 3 jony sodu na 1 jon wapnia i stanowi kationowy .

Komórki zawierają również antyportery anionów , takie jak białko transportujące aniony Band 3 (lub AE1). Ten kotransporter jest ważnym integralnym białkiem w erytrocytach ssaków i przenosi jony chlorkowe i jony wodorowęglanowe w stosunku jeden do jednego przez błonę komórkową w oparciu jedynie o gradient stężeń tych dwóch jonów. Antyporter AE1 jest niezbędny do usuwania dwutlenku węgla , który jest przekształcany w wodorowęglan wewnątrz erytrocytów.

Symporterzy

W przeciwieństwie do antyporterów, symportery poruszają jony lub cząsteczki w tym samym kierunku. W tym przypadku oba transportowane jony zostaną przeniesione albo z przestrzeni egzoplazmatycznej do przestrzeni cytoplazmatycznej, albo z przestrzeni cytoplazmatycznej do przestrzeni egzoplazmatycznej. Przykładem symportera jest transporter połączony z glukozą sodu lub SGLT. SGLT działa w celu sprzężenia transportu sodu w przestrzeni egzoplazmatycznej w dół jego gradientu stężeń (ponownie, ustanowionego przez aktywny transport sodu z komórki przez pompę sodowo-potasową) do przestrzeni cytoplazmatycznej z transportem glukozy w egzoplazmie przestrzeń wbrew gradientowi stężenia do przestrzeni cytoplazmatycznej. SGLT łączy ruch 1 jonu glukozy z ruchem 2 jonów sodu.

Przykłady współprzewoźników

Kotransporter Na ^{+ /glukoza (SGLT1)} – jest również znany jako kotransporter sodowo-glukozowy 1 i jest kodowany przez gen SLC5A1. SGLT1 jest transporterem elektrogenicznym, ponieważ gradient elektrochemiczny sodu kieruje glukozę w górę do komórek. SGLT1 jest kotransporterem Na ⁺ /glukozy o wysokim powinowactwie, który odgrywa ważną rolę w przenoszeniu cukru przez komórki nabłonka proksymalnych kanalików nerkowych i jelita, w szczególności jelita cienkiego.

Na ⁺ /fosforan (NaPi) – Kotransportery sodowo-fosforanowe należą do rodziny białek SLC34 i SLC20. Występują również w komórkach nabłonkowych kanalików proksymalnych nerki i jelita cienkiego. Przenosi nieorganiczny fosforan do komórek poprzez aktywny transport za pomocą gradientu Na ⁺ . Podobnie jak SGTL1, są one klasyfikowane jako transportery elektrogeniczne. NaPi sprzężone z 3 jonami Na ⁺ i 1 dwuwartościowym Pi są klasyfikowane jako NaPi IIa i NaPi IIb. NaPi, które łączy się z 2 Na ⁺ i 1 dwuwartościowym Pi, jest klasyfikowane jako NaPi IIc.

Na ⁺ /I ⁻ symporter (NIS) – Jodek sodu jest rodzajem symportera odpowiedzialnego za przenoszenie jodku w tarczycy. NIS występuje głównie w komórkach tarczycy, a także w gruczołach sutkowych. Znajdują się one na błonie podstawno-bocznej komórek pęcherzykowych tarczycy, gdzie 2 jony Na ^{+ i 1 jon}^I- są sprzężone w celu przeniesienia jodku. Aktywność NIS pomaga w diagnostyce i leczeniu chorób tarczycy, w tym w wysoce skutecznym leczeniu raka tarczycy jodkiem promieniotwórczym po tyreoidektomii.

Symporter Na-K-2Cl – Ten specyficzny kotransporter reguluje objętość komórki poprzez kontrolowanie zawartości wody i elektrolitów w komórce. Kotransporter Na-K-2Cl jest niezbędny w wydzielaniu soli w komórkach nabłonka wydzielniczego wraz z reabsorpcją soli w nerkach. Istnieją dwie odmiany symportera Na-K-2Cl, znane jako NKCC1 i NKCC2. Białko kotransportujące NKCC1 znajduje się w całym ciele, ale NKCC2 znajduje się tylko w nerkach i usuwa sód, potas i chlorki znajdujące się w moczu organizmu, dzięki czemu może zostać wchłonięte do krwi.

Transporter GABA (GAT) – transportery neuroprzekaźników kwasu γ-aminomasłowego (GABA) należą do rodziny nośników substancji rozpuszczonych 6 (SLC6) zależnych od sodu i chlorków transporterów receptorów neuroprzekaźników, które znajdują się w błonie komórkowej i regulują stężenie GABA w szczelina synaptyczna . Gen SLC6A1 koduje transportery GABA. Transportery są elektrogeniczne i łączą 2 Na ⁺ , 1 Cl ^- i 1 GABA dla translokacji do wewnątrz.

K ⁺ Cl ⁻ Symporter – Rodzina kotransporterów K ⁺ -Cl ^{− składa się z czterech specyficznych symporterów znanych jako KCC1, KCC2, KCC3 i KCC4.} Izoforma KCC2 jest specyficzna dla tkanki nerwowej , a pozostałe trzy można znaleźć w różnych tkankach w całym ciele. Ta rodzina kotransporterów kontroluje poziomy stężenia potasu i chlorków w komórkach poprzez połączony ruch wymienników K ⁺ /H ⁺ i Cl ^- /HCO3 ^- lub poprzez połączony ruch obu jonów dzięki kanałom aktywowanym stężeniem. Cztery znane białka KCC łączą się, tworząc dwie oddzielne podrodziny, przy czym KCC1 i KCC3 łączą się w pary, a KCC2 i KCC4 stają się parą, aby ułatwić ruch jonów.

Choroby towarzyszące

Tabela 1: Lista chorób związanych z transporterami.

Symbole/nazwy transporterów	Odpowiednie choroby
4F2HC, SLC3A2	lizynurowy
ABC-1, ABC1	Choroba tangerska
ABC7, hABC7	Niedokrwistość syderoblastyczna sprzężona z chromosomem X
ABCR	Choroba Stargardta , Fundus flavimaculatus
AE1, SLC4A1	eliptocytoza , owalocytoza , niedokrwistość hemolityczna , sferocytoza , kwasica kanalików nerkowych
AE2, SLC4A2	wrodzony chloroidorrhea
AE3, SLC4A3	wrodzony chloroidorrhea
ALDR	Adrenoleukodystrofia
ANKA	ankyloza (zwapnienie); zapalenie stawów , któremu towarzyszy odkładanie się minerałów, powstawanie narośli kostnych i niszczenie stawów
Podobny do Aralara, SLC25A13	cytrulinemii typu II o początku w wieku dorosłym
ATBo, SLC1A5, hATBo, ASCT2, AAAT	Neurodegeneracja
BCMP1, UCP4, SLC25A14	HHH
CFTR	Mukowiscydoza
CTR-1, SLC31A1	Menkesa/ Wilsonsa
CTR-2, SLC31A2	hipofosfatemia sprzężona z chromosomem X
DTD, SLC26A2	chondrodysplazja/ dysplazja diastroficzna
EAAT1, SLC1A3, GLAST1	Neurodegeneracja , stwardnienie zanikowe boczne
EAAT2, SLC1A2, GLT-1	Neurodegeneracja, aminoacyduria dikarboksylowa
EAAT3, SLC1A1, EAAC1	Neurodegeneracja
EAAT4, SLC1A6	Neurodegeneracja
EAAT5, SLC1A7	Neurodegeneracja
FIC1	Postępująca rodzinna cholestaza wewnątrzwątrobowa
FOLT, SLC19A1, RFC1	Zespół złego wchłaniania kwasu foliowego / niedokrwistość megaloblastyczna
GLUT1, SLC2A1	niski poziom glukozy w ośrodkowym układzie nerwowym powodujący drgawki , zespół Fanconiego-Bickla , choroba spichrzeniowa glikogenu typu Id, cukrzyca insulinoniezależna , defekt transportu glukozy przez barierę krew-mózg
GLUT2, SLC2A2	niski poziom glukozy w ośrodkowym układzie nerwowym powodujący drgawki, zespół Fanconiego-Bickla, choroba spichrzeniowa glikogenu typu Id, cukrzyca insulinoniezależna (NIDDM)
GLUT3, SLC2A3	niski poziom glukozy w ośrodkowym układzie nerwowym powodujący drgawki, zespół Fanconiego-Bickla, choroba spichrzeniowa glikogenu typu Id, cukrzyca insulinoniezależna (NIDDM)
GLUT4, SLC2A4	niski poziom glukozy w ośrodkowym układzie nerwowym powodujący drgawki, zespół Fanconiego-Bickla, choroba spichrzeniowa glikogenu typu Id, cukrzyca insulinoniezależna (NIDDM)
GLUT5, SLC2A5	Izolowane złe wchłanianie fruktozy
HET	niedokrwistość , genetyczna hemochromatoza
HTT, SLC6A4	cechy związane z lękiem
LAT-2, SLC7A6	Nietolerancja białka lizynurowego
LAT-3, SLC7A7	nietolerancja białka lizynurowego
MDR1	ludzkie nowotwory
MDR2, MDR3	Cholestaza wewnątrzwątrobowa Familia
MRP1	ludzkie nowotwory
NBC	Zespół Downa
NBC1, SLC4A4	nerkowa kwasica kanalikowa
NBC3, SLC4A7	wrodzona niedoczynność tarczycy
NCCT, SLC12A3, TSC	Zespół Gitelmana
NHE2, SLC9A2	Choroba inkluzyjna mikrokosmków
NHE3, SLC9A3/3P	Choroba inkluzyjna mikrokosmków
NIS, SLC5A5	wrodzona niedoczynność tarczycy
NKCC1, SLC12A2	zespół Gitelmana
NKCC2, SLC12A1	syndrom Barttera
NORTR	Zespół DiGeorge'a , zespół welokardiotwarzowy
NRAMP2, DCT1, SLC11A2,	Zespół nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi
NTCP2, ISBT, SLC10A2	pierwotnego zespołu złego wchłaniania kwasów żółciowych (PBAM)
OCTN2, SLC22A5	ogólnoustrojowy niedobór karnityny (postępująca kardiomiopatia , miopatia szkieletowa , hipoglikemia , hiperamonemia , zespół nagłej śmierci niemowląt )
ORNT1, SLC25A15	HHH
PMP34, SLC25A17	Choroba Gravesa-Basedowa
rBAT, SLC3A1, D2	cystynuria
SATT, SLC1A4, ASCT1	Neurodegeneracja
SBC2	hipocytraturia
SERT	różne zaburzenia psychiczne
SGLT1, SLC5A1	cukromocz nerkowy / zespół złego wchłaniania glukozy-galaktozy
SGLT2, SLC5A2	glukozuria nerkowa
SMVT, SLC5A6	cechy związane z lękiem, depresja
TAP1	łuszczyca młodzieńcza
y+L	Cystynuria typu I

Zobacz też